用于高速旋轉(zhuǎn)MEMS微引擎動(dòng)態(tài)特性研究的光學(xué)測量技術(shù)進(jìn)展

簡介

在一些微引擎、微型齒輪和其它MEMS裝置中，偏離平面的運(yùn)動(dòng)（偏擺）對它們的使用性能和可靠性有很大影響，其后果包括齒輪脫離嚙合和導(dǎo)致早期失效的非正常磨損。偏離平面的運(yùn)動(dòng)還會影響MEMS裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因?yàn)槲⑿妄X輪、甚至整個(gè)裝配組件會產(chǎn)生不希望有的震顫或沖擊載荷。

本文將描述Sandia微引擎驅(qū)動(dòng)齒輪和輸出齒輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性，表明未經(jīng)平衡的微型齒輪在繞其軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，其偏離平面的傾斜位移是如何實(shí)現(xiàn)可視化的，以及這些傾斜位移量是如何測定的。

特別需要指出，將實(shí)驗(yàn)中的測量結(jié)果與通過分析制造公差而確定的預(yù)估偏離位移量進(jìn)行了比較。按照目前的制造水平，在微型齒輪系統(tǒng)中，制造公差約為500nm。根據(jù)微引擎的幾何尺寸，可以確定驅(qū)動(dòng)齒輪和輸出齒輪的最大傾斜偏擺量分別約為1100nm和500nm。雖然MEMS裝置相當(dāng)小，但與可見光的波長相比仍然很大，因此，采用光學(xué)干涉法來測量、試驗(yàn)和表征微齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是完全可行的。

實(shí)驗(yàn)方法

微齒輪的位移作為微引擎工作狀態(tài)的函數(shù)，對它的測量是采用WPI開發(fā)的光電激光干涉顯微鏡（OELIM）測量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

為了研究旋轉(zhuǎn)中的MEMS裝置的動(dòng)態(tài)特性，開發(fā)了一整套測量方法，該方法可實(shí)現(xiàn)量化的、實(shí)時(shí)的全視場成像，具有分析確定各物理量（如微齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)偏離平面的傾斜量）的能力。

在OELIM測量方法中，將一束準(zhǔn)直激光引入系統(tǒng)，直接進(jìn)入由1個(gè)顯微物鏡和1個(gè)針孔濾波器組成的空間濾波器（SF）。得到的擴(kuò)展光場經(jīng)鏡頭L1準(zhǔn)直后，由導(dǎo)向光束分光鏡（DBS）轉(zhuǎn)向，然后通過長距顯微物鏡（MO）照明被測物體。近程光束分光器（PBS）放置于物體之上，并相對于物體傾斜一個(gè)小角度。這樣，從觀察點(diǎn)可以看到兩個(gè)光強(qiáng)分布區(qū)：一個(gè)是由物體反射的光，另一個(gè)是從PBS底面反射的光。反射光通過MO、DBS和一系列鏡片光路傳回CCD相機(jī)。

在本研究所用的OELIM裝置中，采用了平面波前，這樣當(dāng)PBS引入光路中，即可得到相互平行的干涉條紋，利用由CCD獲取并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理的單幅圖像，不僅能對微引擎和微齒輪的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有價(jià)值的定性評定，而且還能根據(jù)光相位提供對偏擺位移的定量測量。此外，激光源采用了選通激光。

在本研究所用的微引擎機(jī)構(gòu)中，微引擎由兩個(gè)相互正交的靜電驅(qū)動(dòng)電梳致動(dòng)器提供動(dòng)力，致動(dòng)器通過驅(qū)動(dòng)臂連桿機(jī)械連接到一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出微齒輪上，該微齒輪能為一個(gè)加載裝置提供扭矩。靜電致動(dòng)器則由一個(gè)外部信號源驅(qū)動(dòng)。關(guān)于微引擎工作特性的更為詳細(xì)的闡述，包括其設(shè)計(jì)和制造方面的內(nèi)容，可以在其它文獻(xiàn)中查找到。

對于本文討論的檢測試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)齒輪回轉(zhuǎn)360°（即一整圈）需要分4步完成，每一步轉(zhuǎn)動(dòng)約90°，由驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出的方波信號來控制。輸入信號的頻率可調(diào)，可使驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速在0～250000r/min之間變化。

驅(qū)動(dòng)齒輪的位移測量在分4步回轉(zhuǎn)時(shí)每一步測量一次；輸出齒輪的位移測量也在每回轉(zhuǎn)90°增量時(shí)進(jìn)行一次，即驅(qū)動(dòng)齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一整圈測量一次。

結(jié)果與討論

為了確定微引擎的偏擺位移，我們首先必須通過干涉圖像計(jì)算出光相位。為了確定光相位，采用的方法是利用在微齒輪4個(gè)被測位置上每一位置獲得的單幅干涉圖。

一旦確定了連續(xù)的光相位，就可以利用光相位與光波長的關(guān)系，計(jì)算出位移d。

在驅(qū)動(dòng)齒輪兩個(gè)角位置的干涉圖像中，干涉條紋數(shù)目的變化以及它們的方位清楚地表明，在驅(qū)動(dòng)齒輪的回轉(zhuǎn)周期中，當(dāng)角度位置發(fā)生變化時(shí)，微齒輪與其所在平面發(fā)生了傾斜。干涉條紋方位和頻率的變化生動(dòng)而清楚地表明了微齒輪運(yùn)動(dòng)的變化特點(diǎn)。輸出齒輪與驅(qū)動(dòng)齒輪的齒輪比為4∶1，當(dāng)驅(qū)動(dòng)齒輪從位置1起每回轉(zhuǎn)一圈，就對輸出齒輪進(jìn)行一次測量。

當(dāng)輸入方波進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以觀察到微齒輪在每次旋轉(zhuǎn)通過某一確定角度位置時(shí)，并不總是回歸到同一傾斜值，測得的差值為530nm。這一差異主要取決于驅(qū)動(dòng)信號的張弛時(shí)間，即增量加載之間的時(shí)間。對于方波輸入，信號的突跳性對于銷子連接和齒輪恢復(fù)（即減小傾斜）來說，時(shí)間已足夠了。

令人感興趣的是，驅(qū)動(dòng)齒輪傾斜幅值的上限約為1030nm，這與對驅(qū)動(dòng)齒輪橫截面的幾何尺寸（在考慮尺寸公差的情況下）進(jìn)行分析計(jì)算得到的極限幅值相吻合。

對輸出齒輪的研究表明，其傾斜幅值變動(dòng)性較小，且與輸入無關(guān)。然而在方波輸入的情況下，觀察到傾斜方向的方位在0°～360°之間變化。

結(jié)論

我們已經(jīng)開發(fā)了OELIM測量技術(shù)，采用該方法我們能夠測量偏擺位移，測量精度約為10nm，該位移是微引擎在回轉(zhuǎn)周期中位置的函數(shù)。根據(jù)微引擎的幾何精度狀況，我們預(yù)期驅(qū)動(dòng)齒輪的傾斜位移約為1000nm，實(shí)際上也達(dá)到了。驅(qū)動(dòng)齒輪向下傾斜的方向基本上也與預(yù)期一樣。向下傾斜的方向在旋轉(zhuǎn)角度上有所變化，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為是震動(dòng)造成的。

微引擎回轉(zhuǎn)時(shí)偏離平面的振擺可以利用OELIM方法測得，它是輸入驅(qū)動(dòng)信號的函數(shù)。目前的制造公差約為0.5μm，允許微齒輪與其外殼之間有足夠的空間。由于微齒輪采用電梳驅(qū)動(dòng)，當(dāng)微齒輪相對于外殼回轉(zhuǎn)時(shí)，就會產(chǎn)生偏離平面的傾斜，傾斜量取決于所采用的驅(qū)動(dòng)信號。

我們觀察到，微齒輪的偏擺也與微齒輪的角度位置有關(guān)。這可能與在微齒輪回轉(zhuǎn)周期中銷子施加在驅(qū)動(dòng)齒輪上的力有關(guān)。說得詳細(xì)一點(diǎn)，所觀察到的微引擎偏擺在相同的工作條件下并不一致，這或許與制造公差有關(guān)，或許與現(xiàn)有設(shè)計(jì)中致動(dòng)器的夾緊問題有關(guān)。

本研究采用了4步方波輸入來驅(qū)動(dòng)微引擎。在4步輸入過程中，驅(qū)動(dòng)齒輪偏離平面的傾斜幅值的變化范圍為：驅(qū)動(dòng)齒輪0～±462nm；輸出齒輪0～±514nm。

OELIM測量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將為回轉(zhuǎn)速度高達(dá)每分鐘100萬轉(zhuǎn)的MEMS微引擎提供測量、試驗(yàn)和表征手段。(end)